【c语言】自定义类型：结构体详解

目录

自定义类型：结构体

结构体类型的声明

结构体变量的创建和初始化

结构的特殊声明

结构的自引用

结构体内存对齐

对其规则

为什么存在内存对齐？

修改默认对⻬数

结构体传参

结构体实现位段

位段的内存分配

位段的跨平台问题

位段的应用

位段使⽤的注意事项

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自定义类型：结构体

结构体类型的声明

• 结构是⼀些值的集合，这些值称为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量。
• 结构的声明

struct tag
{int member;}variable;

• 例如描述⼀个学⽣：

struct Stu
{char name[20];	//名字int age;		//年龄char sex[5];	//性别char id[20];	//学号
};					//分号不能丢

结构体变量的创建和初始化

#include <stdio.h>struct Stu
{char name[20];//名字int age;//年龄char sex[5];//性别char id[20];//学号
};int main()
{//按照结构体成员的顺序初始化struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };printf("name: %s\n", s.name);printf("age : %d\n", s.age);printf("sex : %s\n", s.sex);printf("id : %s\n", s.id);//按照指定的顺序初始化struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .sex = "⼥" };printf("name: %s\n", s2.name);printf("age : %d\n", s2.age);printf("sex : %s\n", s2.sex);printf("id : %s\n", s2.id);return 0;
}

结构的特殊声明

• 在声明结构的时候，可以不完全的声明。
• ⽐如：

//匿名结构体类型
struct
{int a;char b;float c;
}x;struct
{int a;char b;float c;
}a[20], * p;

• 上⾯的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。
• 那么问题来了？

//在上⾯代码的基础上，下⾯的代码合法吗？
p = &x;

• 警告：
• 编译器会把上⾯的两个声明当成完全不同的两个类型，所以是⾮法的。
• 匿名的结构体类型，如果没有对结构体类型重命名的话，基本上只能使⽤⼀次。

结构的自引用

 在结构中包含⼀个类型为该结构本⾝的成员是否可以呢？

⽐如，定义⼀个链表的节点

struct Node
{int data;struct Node next;
};

• 上述代码正确吗？如果正确，那 sizeof(struct Node) 是多少？
• 仔细分析，其实是不⾏的，因为⼀个结构体中再包含⼀个同类型的结构体变量，这样结构体变量的⼤⼩就会⽆穷的⼤，是不合理的。
• 正确的⾃引⽤⽅式：

  struct Node
  {int data;struct Node* next;
  };

  在结构体⾃引⽤使⽤的过程中，夹杂了 typedef 对匿名结构体类型重命名，也容易引⼊问题，看看下⾯的代码，可⾏吗？

  typedef struct
  {int data;Node* next;
  }Node;

  答案是不⾏的，因为Node是对前⾯的匿名结构体类型的重命名产⽣的，但是在匿名结构体内部提前使⽤Node类型来创建成员变量，这是不⾏的。

  • 解决⽅案如下：定义结构体不要使⽤匿名结构体了

  typedef struct Node
  {int data;struct Node* next;
  }Node;

结构体内存对齐

对其规则

• ⾸先得掌握结构体的对⻬规则：

//练习1
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S1));return 0;
}

//练习2
struct S2
{char c1;char c2;int i;
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S2));return 0;
}

//练习3
struct S3
{double d;char c;int i;
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S3));return 0;
}

struct S3
{double d;char c;int i;
};//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S4));return 0;
}

为什么存在内存对齐？

1. 平台原因 (移植原因)：

        不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。

2. 性能原因：

        数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在⾃然边界上对⻬。原因在于，为了访问未对⻬的内存，处理器需要作两次内存访问；⽽对⻬的内存访问仅需要⼀次访问。假设⼀个处理器总是从内存中取8个字节，则地址必须是8的倍数。如果我们能保证将所有的double类型的数据的地址都对⻬成8的倍数，那么就可以⽤⼀个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执⾏两次内存访问，因为对象可能被分放在两个8字节内存块中。

总体来说：结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。

        那在设计结构体的时候，我们既要满⾜对⻬，⼜要节省空间，如何做到 让占⽤空间⼩的成员尽量集中在⼀起

//例如：
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};struct S2
{char c1;char c2;int i;
};

S1 和 S2 类型的成员⼀模⼀样，但是 S1 和 S2 所占空间的⼤⼩有了⼀些区别。

修改默认对⻬数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对⻬数。

#include <stdio.h>#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1struct S
{char c1;int i;char c2;
};#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认int main()
{//输出的结果是什么？printf("%d\n", sizeof(struct S));return 0;
}

结构体在对⻬⽅式不合适的时候，我们可以⾃⼰更改默认对⻬数。

结构体传参

struct S
{int data[1000];int num;
};struct S s = { {1,2,3,4}, 1000 };//结构体传参
void print1(struct S s)
{printf("%d\n", s.num);
}//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{printf("%d\n", ps->num);
}int main()
{print1(s); //传结构体print2(&s); //传地址return 0;
}

• 上⾯的 print1 和 print2 函数哪个好些？
• 答案是：⾸选print2函数。

  

  

结构体实现位段

• 结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能⼒
• 什么是位段？
• 位段的声明和结构是类似的，有两个不同：
• 1. 位段的成员必须是 int 、 unsigned int 或 signed int ，在C99中位段成员的类型也可以

  选择其他类型。
• 2. 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。

  ⽐如：

  struct A
  {int _a : 2;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;
  };

  A就是⼀个位段类型。

  那位段A所占内存的⼤⼩是多少？

  struct A
  {int _a : 2;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;
  };int main()
  {printf("%d\n", sizeof(struct A));return 0;
  }

  

位段的内存分配

//⼀个例⼦
struct S
{char a:3;char b:4;char c:5;char d:4;
};struct S s = {0};s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;//空间是如何开辟的？

位段的跨平台问题

1. int 位段被当成有符号数还是符号数是不确定的。

2. 位段中最⼤位的数⽬不能确定。（16位机器最⼤16，32位机器最⼤32，写成27，在16位机器会出问题。

3. 位段中的成员在内存中从左向右分配，还是从右向左分配，标准尚未定义。

4. 当⼀个结构包含两个位段，第⼆个位段成员⽐较⼤，⽆法容纳于第⼀个位段剩余的位时，是舍弃剩余的位还是利⽤，这是不确定的。

总结：

跟结构相⽐，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

位段的应用

        下图是⽹络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要⼏个bit位就能描述，这⾥使⽤位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样⽹络传输的数据报⼤⼩也会较⼩⼀些，对⽹络的畅通是有帮助的。

位段使⽤的注意事项

        位段的⼏个成员共有同⼀个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配⼀个地址，⼀个字节内部的bit位是没有地址的。

        

        所以不能对位段的成员使⽤&操作符，这样就不能使⽤scanf直接给位段的成员输⼊值，只能是先输⼊放在⼀个变量中，然后赋值给位段的成员。

struct A
{int _a : 2;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;
};int main()
{struct A sa = { 0 };scanf("%d", &sa._b);//这是错误的//正确的⽰范int b = 0;scanf("%d", &b);sa._b = b;return 0;
}